JPH02500289A - 迅速凝固経路により製造されるクロム含有アルミニウム合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 迅速凝固経路によ　製造されるクロム含有アルミニウム合金 本発明は迅速凝固速度（ＲＳＲ）経路により製造される、アルミニウムを主成分 とし、クロムを含有する合金に係る。

従来の高力加工インゴットアルミニウム合金は、該合金の高い強度が依存する沈 澱の粗粒化により、約１５０℃以上の温度の熱安定性に制限があった。この沈澱 の粗粒化は、通常使用されている合金元素（例えば亜鉛、銅、マグネシウム、ケ イ素及び最近ではリチウム）のアルミニウム中における拡散率が高く且つ平衡固 溶解度が相当の程度であることと、これらの比較的高い温度では沈澱／マトリッ クス界面の界面エネルギーが盟著であることが相俟って生じるものである。

高力加工インゴットアルミニウム合金の高温安定性を改良するために他の合金元 素を採用することが望ましいが、上記以外の元素は最大平衡固溶解度が制限され るので、このような案は実現されていない。このような固溶解度の制限の結果と して、従来のインゴット経路では凝固後に粗粒状の脆性の金属間化合物が形成さ れる。

既知のインゴット経路の材料よりも良好な高温安定性を有する高力アルミニウム 合金が得られるならば望ましいことである。ＲＳＲ経路は平衡固溶解度の制限を なくすので、合金元素の枠を拡大する一方策となり、体積分率が高く且つ適当な 元素又は金属間化合物がより良好に分散されたアルミニウムを主成分とする合金 を製造することができる。

このような金属間化合物の微細な分散系が同様に均一に分布されるので、インゴ ット経路で材料を製造する場合はこれらの合金元素が偏析する際に望ましくない 脆化を伴うが、このような事態を避けることができる。更に、適当な元素により 形成される金属間化合物は融点が高く、これは該当温度での固体アルミニウム中 の低拡散性及び固溶解度に結び付けられるので、粗粒化に対して高い耐性を備え 得る（熱安定性が増加する）。

種々のＲＳＲ経路が確立されている。　ＲＳＲ経路の共通点は、液相又は気相、 通常は液相から合金を高い冷却速度で冷却することである。　ＨＪｏｎｅｓ著Ｒ ａｐｉｄ　５ｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆＭｅｔａｌｓ　ａｎｄ　Ａ１１ ｏｙｓ（Ｔｈｅ　Ｉｎ５ｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｓｔｓ 刊論文集第８号）及び他の争論文集第８号、溶射、チル法及び溶接法のようなＲ ＳＲ法がある程度詳しく記載されている。

種々のＲＳＲ経路は冷却速度の調節に関する能力が相互に異なる。分散の微細度 及び固溶解度の拡大は溶融物からの冷却速度に依存する。

従来の研究者は、熱安定性の改良に結び付けられる良好な強度を有するアルミニ ウム合金を製造するためにＲＳＲ法を使用しようと試みた。従来研究されている ２元合金としては、アルミニウムー鉄、アルミニウムークロム、アルミニウムー マンガン及びアルミニウムージルコニウムがある。米国特許第４３４７０７６号 は、鉄、クロム、ニッケル、コバルト、マンガン、バナジウム、チタン、ジルコ ニウム、モリブデン、タングステン及びホウ素の１種以上を５７１６重量％配合 したアルミニウムの範囲内で広い範囲の組成を開示しているが、これらの組み合 わせのうちでアルミニウムー鉄をベースとする組成以外のものはほとんどない。

広く研究されているアルミニウムー鉄の系に基づく開発の２つの欠点は、偏析が なく及び／又は固溶範囲の広い固溶体を生成するために必要な迅速凝固条件が標 準迅速凝固処理の限界に近付くこと、及びこれらの固溶体内の微細規模の分解は 固溶体を最も固い条件にし、団結（ｃｏｎｓｏｌｉｄａ−ｔｉｏｎ）が非常に困 難になることである。

これらの制限の両方を軽減することにより加工性を助長する必要性から、合金開 発の別のベースとしてアルミニウムージルコニウム、アルミニウムークロム及び アルミニウムーマンガン系及びそれらの組み合わせの可能性が検討されるように なった。これらの系はいずれも迅速凝固のチル−キャスティング条件下でも固溶 解度の拡大を示し始め、固溶範囲の拡大した固溶体は固体状態での分解に対して 著しく耐性である。こうして迅速凝固条件下で固溶範囲の広い固溶体を生成する ことができ、より低い圧力で十分な団結が得られる。この後、従来の加工合金と 同様に適当な熱又は熱機械的処理により、材料の強度を十分に引き出すことがで きる。クロム及びジルコニウムのような添加物はアルミニウム格子中の拡散率が 著しく低いので、必要な時効温度は、ジルコニウム、クロム及びマンガンに結び 付けられるケイ素の添加に基づ〈従来の時効硬化合金の温度（例えば１６０℃） よりも著しく高い（例えば４００℃）。この研究の結果、英国特許第２１４６３ ５２号のアルミニウムークロム−ジルコニウム−マンガン合金が開発されるに至 った。

近年、Ｘにジルコニウム以外の元素を使用するアルミニウムークロム−Ｘ系を検 討するべく種々の試みが為されている。記録されている組成には、アルミニウム ー５重量％クロム−１重量％Ｘ（Ｘはケイ素、マンガン、鉄、コバルト、ニッケ ル、銅及びジルコニウムである）、並びにアルミニウムー３．５重量％クロム− １重量％Ｘ（Ｘはケイ素、チタン、バナジウム、マンガン、ニッケル及びジルコ ニウムである）がある。

これらの実験は市販できるような合金を開発するには至っていない。

本発明の目的は、商業上主要な対象であった従来技術のＲＳＲアルミニウム合金 に関連して（１５０〜２００℃の温度範囲で）強度及び構造安定性の改良された 組み合わせを有する、ＲＳＲ経路により製造されるアルミニウムを主成分とする 合金を考案することである。本発明の利点は、＾ｌ−５Ｃｒ−１．５Ｚｒ−１， ４Ｍｎ、＾ｌ−８Ｆｅ−４Ｃｅ、及び＾Ｉ−８ｌ−８Ｆｅ−２全割合は乗員％で ある）の参考従来技術合金に比較して判断される。これらの合金の一般的な特性 は従来技術の文献に報告されているので、本明細書中には言及しない。本発明の 第２の目的は、現在のエンジンで使用されているチタンをベースとする材料に代 わり、ガスタービンエンジン用の圧縮機羽根材料として使用するのに適当な特性 の組み合わせを有するようなアルミニウムをベースとするＲＳＲ合金を製造する ことである。

本発明は迅速凝固法により形成されるアルミニウム合金に係り、該合金は主に、 クロム１〜７重量％、ｘ６重量％まで、ジルコニウム０〜４重量％、アルミニウ ム残部（場合によっては不可避不純物も含有する）から構成され、ここでＸはニ オブ、モリブデン、ハフニウム、タンタル、及びタングステンから成る耐熱金属 元素の群から選択される元素の１種以上であり、 ａ、Ｘは１重量％以上の量を配合されるか、又はす、Ｘは１重量％よりやや少量 を配合されるが、その場合、クロム、χ及びジルコニウム（配合される場合）の 合計量は５重量％以上とする。

以下の文中で示す全組成は重量％で表した割合ある。本発明の合金は上記参考組 成物と同等の室温引張強さを有するのみならず、長時間高温に露呈後（スプラッ トレベルの）微小硬度の測定により、熱安定性の改良を示す。

好ましくは合金は少なくとも４％のクロムを含有する。

合金中にジルコニウムが存在する場合、その含有量は好ましくは０．５〜３．５ ％の範囲である。

上限で合金成分を有する組成（過飽和度の高い合金）として本発明の合金を製造 するためには、十分高い冷却速度に達するに十分なＲ３Ｒ法を使用する必要があ る。実験室の標本にはスブラットクエンチングを使用したが、工業規模の作業に はガス噴霧又はプレーナフローキャスティング（ｐｌａｎａｒ　ｆｌｏｗ　ｃａ ｓｔｉｎｇ）のような方法が好適である。

本発明の好適な亜種を以下に挙げる。

（ａ）アルミニウムー１／７クロムーハフニウム６まで（ｂ）アルミニウムー４ ７５クロム−２７５ハフニウム（ｃ）アルミニウムー１７７クロムー１／６ニオ ブ、モリブデン又はタングステン−０，５７３，５ジルコニウム。

本発明の合金の例を以下の第１〜３表に挙げる。これらの表は、本発明の合金を 前出の従来技術の参考組成として製造した材料に比較するものである。第１表及 び第２表に示す材料は、ＨＪｏｎｅｓの上記文献の１１及び１２頁に記載されて いる２本ピストン法によりアルゴン雰囲気中で製造されたＲＳＲＳススプラット 形料である。この方法によると、標本を浮遊させ、誘導加熱し、重力下で液体を 落下させ、２本の衝撃ピストンの間でチル冷却する。スプラットは典型的には厚 さ５０輸１である。

！１人 ４００℃のカ几　、の　しての八！−Ｃｒ−Ｘ　び参　ム　スプー・ントのＵ組 成」１１分　翌ソ３戒丘　ｍ　徨咋皿　輿届皿攻則暁阻＾１−４．９Ｃｒ−１， ３Ｎｂ　８９±３　８２±２０８５±４　７９±８　７９±４＾１−４．６Ｃｒ −０，７Ｎｏ　９８±１０９０±８　８１±９　９３±７　７５±８＾１−ＩＣ ｒ−３，２Ｈｒ　５３±７　６４±３　７０±４　４６±３　４４±３＾１−Ｃ ｒ−６Ｈｆ　６０＋６　９９±１１９６±６　７３±８　６１±５＾ｌ−３Ｃｒ −３，２）１ｆ　８５＋７　８７±１０８５±６１２０±７　８５±７＾１−３ ．５Ｃｒ−１，５Ｈｆ　９２±３　８６±８　９４±４　９３±４　６８±４＾ １−５Ｃｒ−２，４Ｈｆ　９９±３　９７±９１０５±８１０９±１１９４±８ ＾ｌ−５Ｃｒ−５，３！（ｆ　１０７±８１６１±９１５２±１５　１３２±１ ３　１０６±１３＾１−７Ｃｒ−ＩＨｆ　１１２±６１１８±５１１６±４　９ ６±５　９０±２＾１−３Ｃｒ−ＩＴａ　７５±６　６１±６　６５＋６　５８ ＋５　４６±９ＡＩ−５Ｃｒ−ＩＴａ　７８±８　８５±１０　８８±５　８２ ±１３　６７±７＾１−４．７Ｃｒ−１，４Ｗ　１０３±８　８８±７　８４± ９　８５土１１８７±５＾１−５Ｃｒ（従来技術組成）８９±５　８９±５　７ ７±４　６８±１３６０±７＾１−５Ｃｒ−１，５２ｒ（７７）　９５±１３　 １２９±１１　１３８±１２　１０９±１０９７±６＾Ｉ−７，８Ｆｅ−３Ｃｅ （ｎ　）　３００±１８　１４９±１３　１３１±１０８８±７　７８±５＾１ −８．８Ｆｅ−１，３Ｎｏ（ｌｌ）　１９２±２９　１５９±１４　１３５±７ １１０±１２９２±７第１表は、１種の耐熱金属を含有し且つジルコニウムを含 有しない合金の微小硬度の維持を示す。既知の組成と比較した。

金側の微小硬度は基本的なＡｌ−５Ｃｒ系よりも向上している。

微小硬度のピーク値は、この最大値を生じるように熱処理を選択するので、最も 重要である。

組成＾ｌ−５Ｃｒ−５，３８ｆは１６１±９ｋｌｌｌ１１１２で最良のピーク値 を示す。これは、＾１−Ｆｅ＋Ｍｏ又はＣｅ以外の基本的３元組成を有する全比 較組成合金よりも優れている。もつとも、＾Ｉ　−Ｆｅ合金はスプラット形成時 の状態でピーク値を示し、微小硬度はそれ以後低下し、あらゆる加工は冷温で行 わなければならないことを考慮すると、機械加工等は困難になる。

呈λ表 ４００℃の処理　間の閏　としてのへ１−Ｃｒ−Ｚｒ−Ｘ合金スプラットの　庁 組成（重量％）　リムヨシ友咋　リｖｌ　観呼皿　１００時間　観担呼厘＾１− １．５Ｃｒ−３Ｚｒ−０，８Ｎｂ　８３±７１３３±９１２９±１４　１１３土 １３９１±１１ＡＩ−１，５Ｃｒ−３Ｚｒ−１，７Ｎｂ　８２±１７　１２８± ８　１２２±７　１１３±１３　８６±１９＾１−５Ｃｒ−１，５Ｚｒ−０，８ Ｎｂ　ｉｏｔ±７１３２±８１１５±２０　１２８±７　９３±９＾Ｉ−５，３ Ｃｒ−１，５２ｒ−１，３Ｎｂ　１１７±１７　１３７立６　１４５±１５　１ ３４±１０　１０７±１０＾１−４．９Ｃｒ４．６２ｒ−０，３Ｎｏ　７６±１ ２８６±１０　１０６±１８９２±４１０７±１７＾１−１．５Ｃｒ−３Ｚｒ− ０，５Ｗ　１０３±１０　１４０±１０　１４０ｆ１０　１０７±１３９７±８ ＾１−１．５Ｃｒ−３Ｚｒ−１，１Ｗ　８９±１６　１３５±２０　１３８±２ ０　１１３±６　９６±７＾１−１．５Ｃｒ−１，５２ｒ−０，’Ｊ　１０１± １０　１３３±２０　１３６±１８　１１６±１６　１０４±８＾１−１．５Ｃ ｒ−１，７２ｒ−１，３Ｗ　８５±６　１２１：！＝７　１３１土１０　１３８ ±８１２２±１０＾１−４．６Ｃｒ−１，７２ｒ−１，２Ｎｏ　１０３±１１　 １２５±９１２９±４１２２±５１１１±７（＾Ｉ−４．６Ｃｒ−１．７２ｒ− １，２Ｎｏは従来技術の組成である。）第２表は、ジルコニウム及びクロムの添 加に基づく本発明の４元合金を、＾ｌ−４．６Ｃｒ−１．７２ｒ−１，２Ｎｏ（ 重量％）の組成を有する従来技術の合金に比較したものである。ニオブ又はタン グステンを含有する合金は最良のピーク値を有しており、タングステン合金は特 に比較データに対する実質的な改良を示す。

１玉 ｉに　れ　スした速　ム　ゝ　の　ン　の２０℃の　、０．２％保証応力　極限 応力　破壊伸び率組成ｌＸＸ２ｆ＝ｌ　−一套ｂ１−一　−止Ｐｉｕ笈と一＾１ −５Ｃｒ−５Ｈｆ　３７３　４９２　６．７３８０　４９０　６．７ ＾１−５Ｃｒ−１，５２ｒ−１，３Ｎｂ　３５５　４４５　４．９３５４　４４ ６　３．１ ＾ｌ−５Ｃｒ−１，５２ｒ−１，２１１１３８３４８５４，３４０４４８０２， ４ ＾ｌ−５Ｃｒ−１，５Ｚｒ（従来技術組成”）　３０２　４０７　１４．１３１ ８　３９９　１４．１ 第３表に示した材料は、高圧アルゴン噴霧により２０１ｍの平均粒子寸法に作成 したＲＳＲ粉末から製造した。粉末を円筒に入れ、押出成形温度（３００”Ｃ） で４時間真空下で脱ガスした。次に円筒を密閉し、１６，１の縮小比で材料を円 形の棒状に押出成形した。

第３表は、高い微小硬度ピーク値を有する合金例の引張特性を示す、これらの合 金は従来技術の参考組成である＾１−５Ｃｒ−１．５Ｚｒに比較すると非常に有 利であることが認められる。

χ−Ｔａの合金については表中に明記しなかったが、同等に改良された結果が得 られるものと予想される。

国際調査報告 ５Ａ１９０】ε

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．迅速凝固により形成されるアルミニウム合金であって、主に、クロム１〜７ 重量％、Ｘ６重量％まで、ジルコニウム０〜４重量％、アルミニウム残部（場合 によっては不可避不純物も含有する）から構成され、ここでＸはニオブ、モリブ デン、ハフニウム、タンタル、及びタングステンから成る耐熱金属元素の群から 選択される元素の１種以上であり、（８）Ｘは１重量％以上の量を配合されるか 、又は（ｈ）Ｘは１重量％よりもやや少量を記合されるが、その場合、クロム、 Ｘ及びジルコニウム（配合される場合）の合計量は５重量％以上とする前記合金 。
2. ２．少なくとも４重量％のクロムを含有していることを特徴とする請求項１に記 載のアルミニウム合金。
3. ３．Ｘが前記耐熱金属元素群から選択された１種の元素であることを特徴とする 請求項１又は２に記載のアルミニウム合金。
4. ４．０．５〜３．５重量％のジルコニウムを含有していることを特徴とする請求 項１から３のいずれかに記載のアルミニウム合金。
5. ５．主に、クロム１〜７重量％、ハフニウム６重量％まで、アルミニウム残部（ 場合によっては不可避不鈍物も含む）の組成から構成されることを特徴とする請 求項１に記載のアルミニウム合金。
6. ６．主に、クロム４〜５重量％、ハフニウム２〜５重量％、残部アルミニウム（ 場合によっては不可避不純物も含む）の組成から構成されることを特徴とする請 求項５に記載のアルミニウム合金。
7. ７．主に、クロム１〜７重量％、Ｘ１〜６重量％（Ｘはニオブ又はモリブデン又 はタングステンである）、ジルコニウム０．５〜３．５重量％、残部アルミニウ ム（場合によっては不可避不純物も含む）の組成から構成されることを特徴とす る請求項１に記載のアルミニウム合金。
8. ８．主に、クロム４〜７重量％、Ｘ１〜２重量％、ジルコニウム１〜３重量％、 残部アルミニウム（場合によっては不可避不純物も含む）の組成から構成される ことを特徴とする請求項７に記載のアルミニウム合金。
9. ９．クロム５重量％、ハフニウム５重量％、残部アルミニウム（場合によっては 不可避不純物も含む）の公称組成を有することを特徴とする請求項１に記載のア ルミニウム合金。
10. １０．クロム５重量％、ジルコニウム１．５〜２重量％、Ｘ１〜１．５重量％（ ｘはニオブ又はタングステンである）、残部アルミニウム（場合によっては不可 避不純物も含む）の公称組成を有することを特徴とする請求項１に記載のアルミ ニウム合金。